1-LTE Network Architecture: Basic
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I. Introduction
这篇文章主要介绍LTE网络结构,是LTE的第一篇技术文章。LTE网络也叫EPS,是一个端到端的全IP网络;EPS分为两个部分,LTE部分负责处理和接入网络E-UTRAN相关的技术,EPC部分负责处理和核心网相关的技术。一个端到端的全IP网络一位置所有的数据流,从UE到连接服务实体的PDN之间的所有通路,在EPS内部,所有的传输都是基于IP协议的。
为了通过LTE网络提供给用户LTE服务,引入了一个端到端LTE网络的参考模型(NRM),这个模型除了基本的EPS域之外,还包含三个额外的域(用户的BSS/OSS域,提供服务的应用域,发送IP包的IP传输网络域)。这篇文章的范围集中在基本的EPS域。其他的EPS域特性,例如,LTE和其他3gpp/3gpp2的互操作性和漫游,这些特性是在本文档范围之外,后续会在其他文档中涉及。
这个文档剩余部分的组织如下,在第二章,定义LTE网络参考模型,解释EPS实体和接口。第三章描述协议栈架构。第四章描述整个LTE网络的数据流。
II. LTE Network Reference Model
图1是LT网络的参考模型,包含LTE实体(UE和eNB)和EPC实体(SGW/PGW/MME/HSS/PCRF/SPR/PCSOFCS)。PDN是和UE进行通信的运营商内部或者外面IP域,它提供给UE服务,比如,因特网,IMS。表1和表2是LTE和EPC实体的功能。表3列出了LTE网络参考模型的参考点,并对EPS实体之间的接口进行了描述。
表格1:LTE实体
表格2:EPC实体
CDR:charging data record
OCS:online charging system
OFCS:offline charging system
OSS:operations support system
PCC:policy and charging control
PCEF:policy and charging enforcement function
PCRF:policy and charging rules function
SDF:service data flow
SPR:subscriber profile repository
表3:LTE接口
III. LTE Protocol Stacks
这一章主要介绍LTE用户面和控制面的协议栈。
3.1 用户面协议栈
图2是LTE网络参考模型的用户面协议栈。接着介绍协议栈主要层的功能描述。
1)LTE-Uu接口
- PDCP:PDCP支持在无线链路上IP数据包的有效性传输。它可以执行协议头压缩,接入层安全(加密和完整性保护),数据包重排序和重传。
- RLC:在发送端,RLC构建RLC PDU,并提供给MAC层。RLC协议负责PDCP PDU的分片和串接。在接收端,RLC协议通过对RLC PDU的重组来重新构建PDCP PDU。RLC协议有三种操作模式(透明模式,确认模式,非确认模式),每一种模式提供不同的可靠性级别。RLC也数据包(RLC PDU)的重排序和重传。
- MAC:MAC层在RLC和PHY层之间。它通过逻辑信道和RLC层连接,通过传输信道和PHY层连接。因此,MAC层协议在逻辑信道和传输信道之间支持复用和解复用。高层使用不同的逻辑信道来满足不同的QoS要求。MAC层通过对逻辑信道数据的调度和优先级来支持不同的QoS。eNB调度器可以使无线资源动态分配给UE,并通过执行QoS控制来确保每一个承载都分配了协商的QoS。
2) S1-U/S5/X2 接口
- GTP-U:GTP-U协议通过在S1-U/S5/X2接口上来转发IP数据包。当在LTE切换过程中已经建立了用于数据转发的GTP隧道,则结束标记数据包应该在GTP隧道上作为最后一个数据包传输。
3.2 控制面协议栈
图3是LTE网络参考模型的控制面协议栈。接着介绍协议栈主要层的功能描述。
1) LTE-Uu接口
- NAS:NAS协议负责移动性管理和承载管理功能。
- RRC:RRC协议对NAS信令的传输提供支持。它也负责无线资源的有效性管理功能。主要的功能包括:系统消息的广播,RRC连接的建立/重配/重建/释放,无线承载的建立/修改/释放。
2) X2接口
- X2AP:X2AP协议支持在E-UTRAN内UE的移动性和自组网功能。为了支持UE移动性,X2AP协议提供了例如用户数据转发,序列号状态的传输,UE上下文的释放的功能。对自组网功能,eNB之间交换资源状态信息,负载信息,eNB配置更新信息,使用X2AP协议来相互协调来满足移动性参数。
3) S1-MME接口
- S1AP:S1AP协议支持例如S1接口管理,E-RAB管理,NAS信令传输和UE上下文管理。它传输初始UE上下文给eNB来建立E-RAB,并且管理后续UE上下文的修改和释放。
4) S11/S5/S10接口
- GTP-C:GTP-C协议支持GTP隧道的建立/修改/终止控制信息的交换。它在LTE切换时创建数据转发的隧道。
5) S6a接口
- Diameter:Diameter协议支持在HSS和MME之间用户订阅和鉴权信息的交换。
6) Gx接口
- Diameter:Diameter协议支持把PCC规则从PCRF发送到PCEF(PGW)。
7) Gy接口
- Diameter:Diameter协议支持在PGW和OCS之间实时信用控制信息的交换。
8) Gz接口
- GTP’:GTP’协议支持CDR从PGW发送到OFCS。
IV. Traffic Flow on the LTE Network
图4是在LTE网络参考架构中,用户面数据流接入因特网的过程。图4a是数据流从UE到因特网,图4b是数据流从因特网到UE。IP数据包是在S1-U和S5接口上通过GTP隧道来转发的。这些隧道是在用户附着在LTE网络时对每一个EPS承载建立的。
在S1-U和S5的每一个接口上有多个EPS承载建立。因此,为了识别这些承载,每一个GTP隧道的端点都分配了一个TEID(隧道端点标识),(通常识别一个GTP隧道,采用TEID,IP地址,UDP端口号。但是,在这里,为了描述的方便,仅仅使用了TEID)。GTP隧道的接收端本地分配的TEID,发送端必须使用。TEID的交换是在隧道端点使用控制面协议交换的。
当在S1-U接口上建立了GTP隧道时,SGW分配一个TEID用于上行传输,eNB分配一个TEID用于下行传输。S1 GTP隧道TEID是在eNB和SGW之间使用S1AP和GTP-C消息来交换的。同样的,当在S5接口上建立了GTP隧道时,PGW分配一个TEID用于上行传输,SGW分配一个TEID用于下行传输。S5 GTP隧道TEID是在SGW和PGW之间使用GTP-C消息来交换的。
当用户的数据包在S1-U和S5接口上通过GTP隧道传输时,eNB/SGW/PGW通过封装接收对端GTP实体分配的TEID来转发用户IP数据包。在上行方向,SGW在S1 GTP(UL S1-TEID)隧道和S5 GTP(UL S5-TEID)隧道间建立一对一的映射,来终止S1 GTP隧道,并转发用户数据包到S5 GTP隧道。同样的,在下行方向,SGW在S5 GTP(DL S5-TEID)隧道和S1 GTP(DL S1-TEID)隧道间建立一对一的映射,来终止S5 GTP隧道,并转发用户数据包到S1 GTP隧道。在图4中,通过哪一个EPS实体转发因特网数据流的过程如下所示:
a)上行方向数据流,从UE到因特网
- UE通过LTE-Uu接口传输用户IP数据包到eNB。
- eNB使用S1 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装好的IP数据包给SGW。在这里,eNB使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S1 GTP隧道协议头。
- 在接收到封装好的IP数据包后,SGW剥离掉S1 GTP隧道协议头,并且使用S5 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装后的IP数据包。在这里,SGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S5 GTP隧道协议头。
- 在接收到封装好的IP数据包之后,PGW剥离掉S5 GTP隧道协议头得到用户IP数据包,并通过IP路由转发到因特网。
b)下行方向数据流,从因特网到UE
- PGW从因特网接收到一个目的为UE的IP数据包。
- PGW使用S5 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装好的IP数据包给SGW。在这里,PGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S5 GTP隧道协议头。
- 在接收到封装好的IP数据包后,SGW剥离掉S5 GTP隧道协议头,并且使用S1 GTP隧道协议头封装用户IP数据包,并转发封装后的IP数据包。在这里,SGW使用TEID/目的IP地址/源IP地址作为S1 GTP隧道协议头。
- 在接收到封装好的IP数据包之后,eNB剥离掉S1 GTP隧道协议头得到用户IP数据包,并在无线链路上通过DRB传输给UE。
V. Closing
LTE网络架构作为第一个LTE系列技术文档。这个文档描述的LTE网路架构只适用于单一运营商的LTE only网络,并描述EPS系统最基本的部分。为了更理解以后的LTE文档,对实体/接口的基本理解是必须的。下一个文档,是另一个基本的文档,讨论应用于LTE网络参考模型的LTE标识。这些基本文档对很好的理解后续的文档有很大帮助,会接着讨论LTE网络更高级的功能,包括LTE互操作和漫游。
References
[1] 3GPP TS 36.300, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal
Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2”.
[2] 3GPP TS 23.401, “General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal
Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access”.
[3] Magnus Olsson, et. al., SAE and the Evolved Packet Core – Driving the Mobile Broadband Revolution,
AP, 2009.
[4] NMC Consulting Group Confidential Internal Report, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
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